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Informations-

visualisierung

Thema: 1. Einführung

Dozent: Dr. Dirk Zeckzer [email protected]

Sprechstunde: nach Vereinbarung

Umfang: 2

Prüfungsfach: Modul Fortgeschrittene Computergrafik Medizininformatik, Angewandte Informatik

Informationsvisualisierung, WS 2014/2015 1-2

Übersicht der Vorlesung

1. Einführung

2. Wahrnehmung

3. Darstellung von mehrdimensionalen Daten

4. Darstellung von Graphen

5. Interaktion

6. Zeitabhängige Daten

7. Anwendungen


Übersicht

1. Einführung

1.1. Warum Informationsvisualisierung?

1.2. Definitionen, Beispiele, Ziele

1.3. Klassische Beispiele

1.4. Historische Entwicklung

1.5. Literatur


Vier Datensätze mit gleichen statistischen Eigenschaften. [F.J. Anscombe. Graphics in Statistical Analysis. American Statistician 27, 17-21, 1973]


[Tufte 1983]


Einfache kartesische Darstellung der vier Datensätze.


[Tufte 1983]



Definitionen Information: Datenmenge, der eine bestimmte Bedeutung zugeordnet

werden kann.

Visualisierung: Vorgang etwas in sichtbare Beziehungen zu setzen oder in

sichtbare Form zu überführen.

Informationsvisualisierung: Konzepte, Methoden und Tools zur visuellen

Darstellung von Informationen aus Datenbanken, digitalen Bibliotheken

oder anderen großen Dokumentensammlungen (Däßler / Plam, 1998).

Abgegrenzt wird dies zur wissenschaftlichen Visualisierung durch die

fehlende Struktur der Daten (räumliche Daten bei der wissenschaftlichen

Visualisierung)



Visual Thinking:

„What information visualization is really about is external

cognition, that is, how resources outside the mind can be

used to boost cognitive capabilities of the mind.“ [Stuard Card im Vorwort zu Colin Ware's Buch „Information Visualization“.]

Computergestützte Informationsvisualisierung:

Erzeugen von Darstellungen in Echtzeit

Dynamische Darstellungen

Integration in den Prozess des Verstehens und des

Findens



In Bezug auf numerische Daten fordert Tufte: [Tufte, 2001, S.13]

Graphische Darstellungen sollten

die Daten zeigen

den Betrachter zum Nachdenken über den Inhalt, statt der Methode,

des Designs, der Graphiktechnologie etc. bringen

vermeiden die Aussagen der Daten zu verzerren

viele Zahlen auf kleinem Raum präsentieren

große Datenmengen zusammenhängend darlegen

das Auge zum Vergleich verschiedener Teile der Daten anregen

die Daten auf mehreren Detailebenen zeigen, vom breiten Überblick

zur Feinstruktur

ein klares Ziel verfolgen: Beschreibung, Untersuchung, tabellarische

Aufstellung oder Ausschmückung

eng mit statistischen und verbalen Ausführungen verknüpft sein



Graphische Exzellenz nach Tufte

Wohlgestaltete Präsentation interessanter Daten - eine Frage der

Inhalt

Statistik

Gestaltung (Design)

besteht aus

komplexen Ideen

die mit Klarheit und Präzision effizient mitgeteilt werden

[Tufte 1983]



Graphische Exzellenz nach Tufte

Die Präsentation liefert dem Betrachter die

größte Anzahl an Ideen,

in der kürzesten Zeit,

mit der wenigsten Tinte,

auf kleinstem Raum

Es ist fast immer

ein multivariates Problem

erfordert die Wahrheit über die Daten

zu erzählen

[Tufte 1983]



Charles Joseph Minard (1781-1870):

französischer Ingenieur; graphische Darstellung des Russland-

feldzuges von Napoleon von 1812-1813; graphische Darstellung

multivariater Daten

[Tufte 1983]



Der Mensch nimmt seine Umgebung zu 75% visuell wahr und

erhält daraus die notwendigen Informationen.

Ableiten von vier grundlegenden Aufgaben der Visualisierung:

Symbole, Diagramme und Animationen wirken unterstützend bei der

Vereinfachung komplexer Prozessabläufe und Objektbeziehungen in der

Realwelt.

Visualisierung gestattet einen vereinfachten Zugang zu Massendaten,

z. B. durch Klassifikation und Datenstrukturierung.

Visualisierung hilft bei der Analyse und Interpretation von Daten, bei

der Sichtbarmachung verborgener Trends, sowie bei der

Mustererkennung.

Visualisierung unterstützt die angeborene menschliche Fähigkeit, die

Umwelt zu erfassen und zu verstehen.



Visualisierung unterstützt Denkprozesse

Strategie: verwende externe Informationen

Interne und externe Repräsentationen und Prozesse sind miteinander

verbunden

Beispiel: Multiplikation 34 x 72

34

x 72

68

2380

2448

1

2

[S. K. Card, J. Mackinlay, and B. Shneiderman. Readings in Information Visualization: Using Vision to Think. Academic Press, ISBN 1-55860-533-9, 1999. page 2]



Analyse und

Interpretation:

Epidemic cholera, 1845

Water pump

Cholera cases

[Tufte. The Visual Display of Quantitative Information, 1983, page 24.]



„The purpose of computing is insight,

not numbers.“

Richard Hamming, 1962

„The purpose of computing is not yet in sight.“

Richard Hamming, 1972



Wurzeln der Informationsvisualisierung

Wissenschaftliche (räumliche) Visualisierung

Datenbanken / Data Mining

Graph-Drawing



… ist die Suche und Analyse von Daten, um implizit

enthaltene Information zu extrahieren.

Identifizieren von Mustern, Strukturen, Trends,

Beziehungen, Abnormalitäten.

Entdecken von neuen Informationen.



Data Mining

Auch: Knowledge Discovery in Databases (KDD)

Extraktion von Datenbesonderheiten in Datenbanken

Statistik

Maschine-Learning

Informationswissenschaften

…



Visualisierung

Interaktive Analyse von hochdimensionalen Daten, die

miteinander in Beziehung stehen können

Flexible Analyse

Visuelle Analyse

Explorierende Analyse (Finden einer Hypothese)

Bestätigende Analyse (Bestätigung einer Hypothese)



Visualisierung/Mensch

Data Mining/ Computer

Datenspeicher Berechnen Suchen

Planen Diagnose Vorhersage

Wahrnehmung Kreativität Allgemeinwissen

Logik



Datenquellen

Statistiken öffentlicher und privater Quellen

Verknüpfungen von Internetseiten

Zug- oder Flugpläne

Wetter-, Klima- und astronomische Daten

Finanzielle Transaktionen

Genexpressionsdaten (Bioinformatik)

Gen- und Proteinsequenzen, einschließlich ihrer räumlichen Struktur (Bioinformatik und IMISE)

Softwarecode (BIS, Wirtschaftsinformatik und BSV)

Dokumentensammlungen (ASV)

Patientenmodelle (ICCAS)



Hauptziele

Zusammenfassen

Verknüpfen

Klassifizieren

Gruppieren

Analysen des

zeitlichen Verhaltens

Vorhersagen

Techniken

Dimensionsreduktion

Cluster-Verfahren

Regression (linear

und nicht-linear)

Naϊve Bayes

Neuronale Netze

Heuristische

Methoden

Verknüpfungsregeln

Entscheidungsbäume

Hauptkomponenten-

analyse (PCA)

Statistische Methoden

Normalisierung

Fehler- und

Abweichungsanalyse

Statistische Sicherheit

Vergleichende Statistik



Datenkarten

3056 Werte (Counties): 2D Position, mindestens vier Werte bezeichnen die

Lage des Counties (Rand) => 7x3056=21392 Werte in einem Bild

[Tufte, 1983]



Zeitreihe

Z.B. Wetter und Klimadaten

[Tufte, 1983]



Fahrpläne als Zeitreihe mit 1D-Ortsinformation

[Tufte, 1983]



Erzählende Graphik

[Tufte, 1983]



Florence Nightingale



The Tube - Geography [h

ttp

://w

ww

.ko

ttke.o

rg/p

lus/m

isc/im

age

s/tu

be

ge

o.g

if]



The Tube – Beck’s Map, 1931

[R. Spence. Information Visualization. ACM Press/Addison Wesley, New York, ISBN 0-201-59626-1, 2001. page 2, 8]



18. Jahrhundert

Nach Tufte beginnt das Studium graphischer Darstellung von Informationen mit

Johann Heinrich Lambert ( 1728-1777)

William Playfair (1759-1823).

Lambert benutzte als Erster Zeitreihen für wissenschaftliche Darstellungen

Z. B. die Bodentemperatur in Abhängigkeit der Tiefe und des Monats:

[Tufte, 1983]



Johann H. Lambert

nutzte kartesische Koordinatensysteme bewusst so, wie in

den modernen Natur- und Ingenieurswissenschaften



Johann H. Lambert

Beispiel:

Graphik links: Beschreibung der Höhe einer Wassersäule (DEF) in

einem Rohr als Funktion der Zeit bei gleichzeitiger Darstellung der

Temperatur (ABC).

Graphik rechts: Beschreibung des Zusammenhangs zwischen der

Temperatur und der Verdampfungsrate.

[Tufte, 1983]



William Playfair: The Commercial and Political Atlas

untersuchte die Zeitreihen

benutzte die ersten Balkendiagramme

Vermutlich zeichnete er mit der linken Hand, da er die vertikale Achse rechts mit

Bezeichnungen versah. [Tufte, 1983]



19. Jahrhundert

E.J. Marey (1830-1904) nutzte Zeitreihen

visualisierte Daten von Mensch und Tier

[Tufte, 1983]



E.J. Marey - Ankunfts-/Abfahrszeiten

[Tufte, 1983]



Charles Joseph Minard (1781-1870)

Erfand die erzählende Graphik durch seine Darstellung der Verluste bei

Napoleons Russlandfeldzug.

[Tufte, 1983]



Historischer Überblick Die moderne, computergestützte Informationsvisualisierung begann vor

knapp 30 Jahren.

Mitte der 80er Jahre

Erste Überlegungen an der Universität von Singapur

Einsatz von VR-Techniken zum Aufbau von Informationsräumen

Benutzer kann in einem Netz von abstrakten Objekten und Relationen frei navigieren

1988

Kim Fairchild entwickelt das erste Visualisierungssystem für Informationen (SamNet).



Anfang der 90er Jahre

XEROX PARC (Palo Alto Research Center) entwickelt eine ganze Palette

neuer visueller Metaphern.

Am bekanntesten sind die Perspektivische Wand (Perspective Wall) und der

Rotierende Kegelbaum (Cone Tree).

Begriff Informationsvisualisierung bei Forschern am XEROX PARC:

Konzepte zur Visualisierung abstrakter Daten

Joe Tesler (SGI) entwickelt die visuelle Metapher der Informationslandschaft

File System Navigator (FSN), zum ersten Mal im Kinofilms Jurassic Park



Perspective Wall (XEROX PARC)

Sequentielle Darstellung von Dateien über eine Zeitachse

Nutzt die räumliche Metapher, um Dateien zu einem bestimmten Zeitpunkt

im Vordergrund darzustellen

Gleichzeitig sind Dateien älteren und neueren Datums im Überblick zu

sehen

Die Wand kann interaktiv verschoben werden, so dass jeweils andere

Zeitabschnitte in den Vordergrund gelangen



Cone Tree (XEROX PARC)

Hierarchisch aufgebauten Verzeichnisstruktur

Die einzelnen Kegel lassen sich interaktiv drehen

Verdeckte Elemente werden damit in den Vordergrund geholt



1991

GopherVR, visuelle Oberfläche für den Informationsdienst Gopher (University

of Minnesota)

1995

Silicon Graphics: kommerzielle Data-Mining-Software MineSet



1994

Neues Anwendungsgebiet: Webvisualisierung

Viele Anwendungen beschäftigen sich mit Navigationsoberflächen oder

Hyperlinkschemata für Informationsdomänen im Netz: Hyperspace,

Navigational View Builder (Georgia Tech)

WebViz: Nutzeroberflächen zum Austausch von 3D-Objekten im Web

(University of Minnesota).

Die Informationsstrukturen werden auf die Oberfläche einer Kugel projiziert:

Hyperbolische Bäume (Hyperbolic Trees).

Daraus kommerzielle Nutzeroberflächen für hierarchische

Klassifikationsschemata: z.B. Hyperbolic Tree der Firma Inxight.



Hyperspace - Selbstorganisation eines Hyperraumes

Kugeln symbolisieren Webseiten, Verbindungslinien Hyperlinks

Größe einer Kugel repräsentiert Anzahl von Hyperlinks, die von dieser Seite

ausgehen

Hyperlinks werden als einfache Verbindungslinien dargestellt



Hyperbolic Tree

Visualisierung des Dateibaums einer Festplatte

Durch die einfache Bewegung der Maus wird der Dateibaum wie auf einer

Kugeloberfläche entfaltet

Ermöglicht guten Überblick und schnellen Zugriff auf einzelne Verzeichnisse

und Dateien des Verzeichnisbaumes



Mitte der 90er Jahre:

Neues Teilgebiet: visuelle Repräsentation von Textdokumenten

Entwicklung von grafischen Textretrievaloberflächen

Eine häufig benutzte visuelle Metapher ist dabei die Dokumentkarte, die

Dokument-Dokument-Relationen als Cluster darstellt, zB.

Punktwolkendarstellung (Galaxy, PNL, 1994)

Thematische Karte (Mapdisplay, University of Kentucky, 1997)

WebSOM (Technische Universität Helsinki, 1996)



Dokumentlinse/Document Lens (XEROX PARC)

Zeigt ein Textdokument, das aus mehreren Textseiten besteht

Der gesamte Text kann interaktiv durch das Sichtfenster geschoben werden

Er wird nicht verzerrt und erscheint lesbar

Einzelne Textbausteine werden im Kontext einer Gesamtdokumentation

visuell dargestellt


Newsmap – Nachrichtenbrowser

Visuelle Oberfläche zur Nachrichtensuche

Einzelne Nachrichten werden kategorisiert

und anschließend als Themenbereiche in

eine Dokumentkarte abgebildet

Berge repräsentieren erhöhte

Dokumentkonzentrationen in einem

thematischen Umfeld

Höhenlinien verbinden bestimmte

zusammengehörige Begriffsdomänen




1995

Erstes IEEE Symposium on Information Visualization

Entwicklung von VRML (Virtual Reality Modeling Language) und neue

Richtung der Informationsvisualisierung: Web-basierte Visualisierung von

Information



Entwicklung in Deutschland

Beginn der 90er Jahre Projekte mit dem Ziel, den kognitiven Zugang zu

Datenbanken und anderen Informationsressourcen im Internet mittels neuer

grafischer Nutzeroberflächen zu verbessern.

Projekt Lyberworld (GMD): 3D UI für Volltext-Retrieval

Projekt KOAN (SIEMENS AG): 3D Benutzerinformation



Bedeutende Entwicklungen und prototypische Tools auf dem

Gebiet der Informationsvisualisierung:



Seit 2000

1999:

Erste Eurographics Conference on Visualization

(1999-2004: VisSym Symposium on Visualization,

Vorgänger 1990-1998: EG ViSC Workshop on Visualization Scientific Computing)

2006:

Erstes IEEE Symposium on Visual Analytics Science and Technology

2008:

Erste Joint VisWeek: Scientific Visualization, Information Visualization, and

Analytics Science and Technology

Erste Pacific Vis conference


1.5. Literatur

Klassische Lehrbücher:

E.R. Tufte. The Visual Display of Quantitative Information. 2. Auflage,

Graphics Press, Cheshire, CT, USA, 1983, 2001.

E.R. Tufte. Visual Explanations. Graphics Press, Cheshire, CT, USA, 1997.

E.R. Tufte. Envisioning Information. Graphics Press, Cheshire, CT, USA,

1990.

E.R. Tufte. Beautiful Evidence, Graphics Press, Cheshire, CT, USA, 2006

J. Bertin. Graphische Darstellungen. De Gruyter, Berlin, 1982.


1.5. Literatur

Moderne Lehrbücher:

C. Ware. Information Visualization – Perception for Design. 3. Auflage,

Elsevier, Amsterdam, NL, 2012.

R. Spence. Information Visualization. Addison-Wesley, Reading, MA,

USA, 2001.

S. Few. Show Me the Numbers, Designing Tables and Graphics to Enlighten,

Analytics Press, 2004.

S. Few. Information Dashboard Design: The Effective Visual Communication

of Data, O‘Reilly Media, 2006.

C. Ware. Visual Thinking: For Design. Morgan Kaufman, San Francisco,

2008.

M. Ward, G. Grinstein, D. Keim. Interactive Data Visualization. A K Peters,

Ltd., ISBN 978-1-56881-73-5, 2010.


1.5. Literatur

Sammlungen wichtiger Artikel:

S.K. Card, J.D. Mackinlay, B. Shneiderman (Hrsg.). Readings in Information

Visualization: Using Vision to Think. Morgan Kaufman Publishers, San

Francisco, 1999.


1.5. Literatur

Wichtige Konferenzen:

IEEE Symposium on Information Visualization, jährlich seit 1995

inzwischen IEEE Conference on Information Visualization

EuroVis, jährlich seit 2005 (2000-2004 VisSym und 1990-1999 EG VISC)

IEEE Symposium on Visual Analytics in Science and Technology (IEEE

VAST)

inzwischen IEEE Conference on Visual Analytics in Science and Technology

Pacific Vis, jährlich seit 2008

Wichtige Fachzeitschriften:

Information Visualization Journal, seit 2002

IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, seit 1995

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